《鋼結構新型延性節點的抗震設計理論及其應用》係統地闡述瞭作者在鋼結構新型延性節點的抗震設計理論、計算方法、工程應用方麵的創新性科研成果。內容主要包括：削弱型節點的力學性能以及鋼框架結構的內力和穩定性分析、不同構造形式加強型節點的抗震性能試驗研究、焊接節點斷裂特性的有限元分析、加強型節點鋼框架的抗震性能分析。
《鋼結構新型延性節點的抗震設計理論及其應用》可供土木工程專業和工程力學專業的設計人員、研究人員和高校教師參考，也可作為相關專業研究生學習用書。

作者簡介

王燕，青島理工大學教授，博士生導師，工學博士。兼任國傢住房和城鄉建設部高等學校土木工程專業指導委員會委員，中國鋼結構協會專傢委員會委員，中國建築金屬結構協會專傢委員會委員，中國鋼結構協會穩定與疲勞協會常務理事，《工業建築》、《鋼結構》雜誌編委。享受國務院政府特殊津貼專傢，山東省有突齣貢獻的中青年專傢，榮獲國傢級教學名師奬、寶鋼教育基金優秀教師特等奬。長期從事結構工程學科鋼結構設計理論及其工程應用領域的教學與科研工作，先後主持國傢自然科學基金項目、高等學校博士點專項科研基金項目、國傢標準《鋼結構設計規範》科研專項基金項目、山東省自然科學基金項目、青島市科技攻關項目、青島市建設科技項目以及橫嚮重大科技開發等科研項目40餘項。主持的科研項目先後獲得國傢科技進步二等奬1項，山東省科技進步一等奬1項，青島市科技進步二等奬2項、三等奬1項；獲得國傢實用新型專利2項；主持的教學研究項目先後獲得國傢教學成果二等奬1項，山東省優秀教學成果一等奬1項、二等奬2項。齣版學術專著2部、主編教材2部、參編國傢規範和行業標準4部，已培養50餘名博士、碩士和博士後研究人員，在國內外學術刊物上發錶學術論文1 50餘篇，教學研究論文近20篇。

內頁插圖

前言
第1章緒論
1.1 傳統鋼結構梁柱連接節點的類型和震害分析
1.2 鋼框架塑性鉸外移新型抗震節點的類型和設計原理
1.3 國內外的研究現狀
1.4 鋼框架塑性鉸外移新型抗震節點的應用與發展
第2章削弱型節點的力學性能
2.1 引言
2.2 削弱型節點力學性能的試驗研究
2.3 削弱型節點靜力荷載作用下的有限元分析
2.4 削弱型節點低周循環荷載作用下有限元分析
2.5 有限元與試驗結果對比
2.6 削弱型節點鋼框架的動力特性
第3章削弱型節點鋼框架的內力和穩定性
3.1 引言
3.2 削弱型節點鋼框架的內力
3.3 削弱型節點鋼框架梁的整體穩定
3.4 削弱型節點鋼框架柱的整體穩定
第4章擴大型節點的滯迴性能
4.1 引言
4.2 直接擴翼型節點的滯迴性能試驗
4.3 擴大型節點滯迴性能的有限元分析
4.4 擴大型節點損傷退化性能
4.5 擴大型節點斷裂特性
第5章過渡闆加強型節點的滯迴性能
5.1 引言
5.2 過渡闆加強型節點滯迴性能試驗研究
5.3 過渡闆加強型節點滯迴性能的有限元分析
第6章蓋闆加強型節點的滯迴性能
6.1 引言
6.2 蓋闆加強型節點滯迴性能的試驗研究
6.3 蓋闆加強型節點滯迴性能的有限元分析
第7章鋼框架焊接節點的斷裂性能
7.1 引言
7.2 焊接節點脆性斷裂的評估指標
7.3 闆式加強型節點的斷裂性能分析
7.4 不同構造形式焊接節點的斷裂性能對比分析
第8章直接擴翼型節點鋼框架的動力特性和滯迴性能
8.1 引言
8.2 直接擴翼型節點鋼框架的擬動力試驗
8.3 直接擴翼型節點鋼框架的滯迴性能試驗
8.4 有限元分析
參考文獻

精彩書摘

第1章緒論
1.1 傳統鋼結構梁柱連接節點的類型和震害分析
1.1.1 傳統鋼結構梁柱連接節點的類型
鋼結構梁柱結閤的部分稱為梁柱節點或梁柱連接，它在結構中起到重要作用。在正常使用狀態下，鋼結構梁柱節點將梁與柱連成整體，使結構能夠有效地承受重力、風載等外部荷載。在強烈地震作用下，梁端和節點域産生塑性變形，形成塑性鉸，有效地吸收和耗散能量，使結構能夠做到大震不倒、小震可修。連接節點的力學性能還會影響到結構的整體行為，如結構變形、自振周期、地震反應和結構內力。根據受力變形特徵，鋼結構梁與柱的連接可以劃分為以下三類。
（1）剛性連接。如圖1.1（a）所示，梁柱間無相對轉動，連接可以承受彎矩和剪力。這種連接節點的彈性剛度大於或等於構件的彈性剛度。習慣上，若連接轉動約束達到理想剛接的90%以上就認為是剛性連接［1］，如圖1.2中Ⅰ區域所示。
（2）鉸支連接。如圖1.1（b）所示，梁柱間有相對轉動，連接不能承受彎矩和剪力。該節點的剛度遠遠小於構件的剛度，在計算時可以認為等於零。通常當梁柱軸綫夾角的改變量達到理想鉸接的80%時就認為是鉸接［2］，如圖1.2中Ⅲ區域所示。
（3）半剛性連接。如圖1.1（c）所示，梁柱間有相對轉動，能承受剪力和一定的彎矩，具有一定的剛度，如圖1.2中Ⅱ區域所示。
圖1.1 鋼框架梁柱連接結構的受力與變形形式
為瞭區分鋼結構梁柱連接的類型，《歐洲鋼結構設計規範（EC3）》［3］給齣量化的分類方法，如圖1.3所示。當梁柱連接的彎矩?轉角關係麯綫處於實綫（無支撐框架）或實綫以左時，為剛性連接；當梁柱連接的彎矩?轉角關係處於虛綫以右時，
為鉸支連接；介於兩者之間的為半剛性連接。
圖1.3 《歐洲鋼結構設計規範（EC3）》的梁柱連接分類方法
鉸支連接構造簡單，但剛度較低，對結構變形不利，適用於次要構件的連接；半剛性連接具有較好的綜閤經濟指標，但對結構的變形和承載能力有一定影響，適用於單層門式鋼架或低層框架結構的連接；剛性連接剛度大，承載力高，受力性能好，但對節點加工製作要求較高。對於多、高層建築鋼結構梁柱連接大多采用剛性連接，傳統梁柱剛性連接的主要構造形式有三種。
（1）全焊接節點［圖1.4（a）］，梁的上下翼緣和腹闆均與柱采用焊接連接，翼緣與柱采用全熔透坡口焊，腹闆采用角焊縫與柱相連；
（2）栓焊混閤節點［圖1.4（b）］，梁的上下翼緣采用全熔透坡口焊，腹闆采用高強螺栓與柱相連；
（3）全栓接節點［圖1.4（c）］，梁翼緣和腹闆均采用高強螺栓與柱連接。
圖1.4 梁柱剛性連接構造形式
1.1.2 傳統鋼結構梁柱連接節點的震害分析
圖1.4（b）所示為傳統梁柱栓焊混閤剛性連接，這種連接形式在1994年美國北嶺（Northridge）地震和1995年日本阪神（HanshinAwaji）地震之前得到瞭大量應用，主要應用於多、高層鋼框架建築結構中。當時普遍認為這種按抗震設計的鋼
第1章緒論
框架，在強震作用下節點能夠基於材料的延性，保證結構産生塑性變形，在梁內而不是柱內産生塑性鉸，通過塑性區的形成和轉動耗散地震輸入的能量，使節點免於破壞，並保證結構的整體性使其免於倒塌，實現“強柱弱梁”、“強節點弱杆件”的設計思想。然而，在美國北嶺和日本阪神地震中，這種傳統梁柱剛性連接節點並沒有錶現齣人們所期待的延性，而是産生瞭大量的脆性破壞，導緻大量鋼框架齣現斷裂和倒塌，造成瞭巨大的經濟損失。圖1.5給齣1994年美國北嶺地震震後觀察到的梁柱連接焊縫處的失效模式［4～6］。
圖1.5 美國北嶺地震中梁柱焊接節點的失效模式
圖1.5（a）的失效模式是一種很普遍的斷裂形式，焊縫與柱翼緣完全脫離開。但許多情況下裂紋並不總沿著焊縫和柱的界麵擴展。在很多情況中，斷裂從墊闆和柱的交界處開始，然後沿柱翼緣母材擴展，最後撕下一部分柱翼緣母材［圖1.5（c）］，而裂紋如圖1.5（d）所示在柱翼緣中停止擴展的情形更多。圖1.5（e）所示裂紋從焊趾産生並擴展穿透梁翼緣的熱影響區，這種在試驗研究中常見的情形在北嶺地震中並不多見。其餘的連接失效主要發生在柱截麵中，柱翼緣的層狀撕裂［圖1.5（f）］、柱翼緣開裂［圖1.5（g）］，甚至擴展到柱的腹闆中［圖1.5（h）］，這種情形較前者更為顯著。柱翼緣的開裂與連接處的翼緣應變狀況有關，進而與截麵尺寸、鋼材型號、焊接工藝、焊接質量、連接構造細節和外力有關。也有少數柱腹闆中的裂紋嚮上擴展至梁上翼緣連接處的情形。
1995年日本阪神地震中梁柱焊接節點斷裂模式如圖1.6所示［6，7］，圖中“1”錶示翼緣斷裂，“2”和“3”錶示熱影響區斷裂，“4”錶示橫隔闆斷裂，上述連接發生破壞時，梁翼緣已有顯著屈服或局部屈麯現象，該現象在美國北嶺地震中沒有齣現。另外，對比圖1.5和圖1.6可以看齣，兩次地震中梁柱節點的斷裂模式明顯不同，
阪神地震中裂紋主要嚮梁一側擴展，如圖1.6所示，而北嶺地震中裂紋主要嚮柱一側擴展，這種差彆與梁柱節點的構造形式有關。
圖1.6 日本阪神地震中梁柱焊接節點的失效模式
根據美國聯邦突發事件管理局（FederalEmergencyManagementAgency，FEMA）等研究機構進行的試驗研究錶明［8~10］，傳統鋼框架梁柱節點連接引起破壞的主要原因如下。
（1）梁柱連接處存在較為嚴重的應力狀態。圖1.7（a）為地震作用時鋼框架橫梁的彎矩分布，圖1.7（b）、（c）為梯形鋼闆模擬在地震力作用下，翼緣闆L1段在遠端受一均勻應力場作用的變截麵鋼闆受均勻外力作用，由於固定端的約束作用産生應力／應變集中現象，塑性應變無法擴散而集中於端部，又因為該處截麵最薄弱，所以此處的梁端彎矩和剪力必須通過梁翼緣端部與柱翼緣的連接焊縫和剪切闆傳給柱，但這些部位的截麵麵積和截麵模量一般都小於被連接的梁本身，結果使該部位産生很高的應力集中，造成脆性斷裂。
圖1.7 鋼框架梁端應力分布
（2）梁下翼緣與柱翼緣間的連接焊縫通常都是在現場俯焊，焊工一般騎在梁的上翼緣。在此位置施焊，每一條焊道在梁腹闆處都要中斷、中止或重新引弧，這種焊接方式導緻該部位的焊縫質量很差，含有熔渣、不熔和其他缺陷。當連接受到高應力或有很大變形要求時，這些缺陷成為裂縫的發源地。
（3）連接的基本形式使得工程人員很難對梁翼緣與柱翼緣連接焊縫根部隱藏的缺陷進行檢查。通常焊接襯闆在施焊完畢後都留在原處，對焊根的外觀檢查形成障礙。因此，主要檢測方法是進行超聲波探傷，但是節點的幾何形狀使超聲波探傷很難可靠地查齣在梁翼緣焊縫根部的裂縫，特彆是在焊縫中部腹闆附近的裂縫，形成引發裂縫的源頭。
（4）梁柱連接的典型設計模式是假設梁的彎麯應力全部由翼緣承受，剪力由腹闆承受，但實際上由於柱變形齣現的邊界條件，梁翼緣在連接處承受瞭很大一部分梁的剪力。其結果導緻梁翼緣不但在柱麵處承受很大的彎麯應力，而且在焊縫中産生瞭很大的次應力。這種效應引起的應力集中對梁柱翼緣間全熔透焊縫焊根部位的承載力提齣瞭很高要求，而該部位常常存在很多熔渣和嚴重的不連接，很容易引發裂縫。
（5）梁翼緣與柱翼緣連接處的鋼材，因受約束而不能運動，當柱翼緣較厚時此情況更為突齣，這種約束情況使得該處鋼材不能屈服，在焊縫中引起局部高應力，加劇瞭焊縫缺陷引發裂縫的傾嚮。
（6）1985~1994年美國的設計規定鼓勵在梁柱節點中采用弱節點域。在過分弱的節點域中，組件的非彈性受力性能受節點域的剪切變形控製。節點域剪切變形導緻梁柱翼緣間連接焊縫附近的柱翼緣齣現局部彎摺，進一步增加瞭該敏感區對應力和應變的需要。
（7）在20世紀60年代中期，建築工業推廣半自動焊，在現場焊接時采用藥芯焊條，安裝公司通常采用低衝擊韌性的焊條。當焊接速度過快時，會進一步加劇衝擊韌性降低，遺憾的是焊工的施焊速度一般較快，其結果使在帶有較大缺陷的焊縫中的應力接近梁鋼材的屈服強度。
（8）早期鋼框架一般設計成冗餘度較高的結構，幾乎所有的梁柱連接都成為抗側力體係中的一部分，結果造成構件截麵較小。隨著勞動力費用的提高，采用較少的剛性連接可以省工，故梁柱構件做得較大。鋼框架構件對應變能力的要求與構件的跨高比有關，這樣，隨著構件截麵增大，連接對脆性受力狀態更加敏感。
（9）20世紀60~70年代，對鋼框架開展瞭很多初期研究，鋼梁通常采用A36鋼（相當於Q235）。進入80年代，很多鋼廠采用現代化生産工藝，包括用廢鋼煉鋼，廢鋼中含有很多微閤金元素，使得鋼材強度提高。盡管是用A36鋼製作的梁，但其實際屈服強度接近甚至超過50級鋼（相當於Q345）。由於母材屈服強度的提高，梁柱翼緣間的焊縫金屬與母材不匹配，對連接發生破壞有一定影響。
1.2 鋼框架塑性鉸外移新型抗震節點的類型和設計原理
為解決傳統鋼框架梁柱連接節點焊縫脆性開裂問題，各國學者針對梁柱連接節點的抗震性能及延性開展瞭大量的試驗研究。強柱弱梁、節點更強的試件可以發揮梁的塑性承載力，形成梁鉸破壞機構，從而具有較大的塑性變形能力和耗能能力，即具有良好的抗震性能［11～21］。解決鋼框架連接抗震性能問題的基本途徑是將塑性鉸外移，通過對鋼梁截麵進行削弱或加強，使強震時梁的塑性鉸自柱麵外移，從而避免脆性破壞。雖然兩種形式的目的相同，但各有特點，前者通過對距梁柱連接處一定距離的梁翼緣或者腹闆進行削弱，後者則是對梁翼緣加設過渡闆或腋闆等構造措施，促使梁端塑性變形在削弱區或加強區末端的位置齣現並擴展，使強震時梁的塑性鉸自柱麵外移，從而避免節點過早齣現裂縫發生脆性破壞，以達到延性設計目的。
1.2.1 削弱型節點
削弱型節點包括梁腹闆開孔型、梁腹闆切縫型和梁翼緣削弱型（reducedbeamsection，RBS）三種連接形式，如圖1.8所示。
圖1.8 梁削弱型連接形式
削弱型節點的設計思想是根據地震彎矩梯度對節點附近鋼梁上某一選定區域進行削弱，使得削弱後區域的截麵抵抗彎矩梯度等於該區域截麵地震彎矩需求梯度。由於塑性鉸總是在結構M／Mu最大截麵處首先齣現，而削弱區域各截麵的M／Mu值大小相等且比梁上其他截麵的M／Mu值大，因此，梁上事先選定的削弱區域能同時進入塑性狀態，從而獲得一個放大的塑性區域，達到塑性鉸外移的設計目的，如圖1.9所示。
……